刘忠范院士团队发表石墨烯石英纤维最新研究进展

石英纤维，凭借其轻质高强、化学性质稳定的特点广泛应用于各种结构增强材料。将石英玻璃纤维金属化或与其他导电材料复合可提升纤维导电、导热特性，进而拓展石英纤维在柔性传感、高功率散热、电磁屏蔽等诸多领域的应用。然而，纤维表面金属化的过程会导致纤维柔性降低和严重的金属污染问题。因此，开发一种可批量化制备柔性、高导电性石英纤维的新方法是本领域亟待解决的问题之一。

最近，北京大学、北京石墨烯研究院刘忠范院士团队，将石墨烯与石英纤维相融合，提出了一种批量化制备石墨烯石英纤维的强制流化学气相沉积生长方法。获得了兼顾石墨烯优异导电性和石英纤维高机械性能的石墨烯石英纤维，实现了易燃有机气体的高灵敏度实时在线监测。在此基础上，研制了基于石墨烯石英纤维的面电阻均匀可调的纤维织物，成功实现了接近1000 °C高温的工业电加热器件构筑。相关成果以“Massive Growth of Graphene Quartz Fiber as a Multifunctional Electrode”为题发表在国际知名期刊ACS Nano（2020, 14, doi: 10.1021/acsnano.0c01298）上。

本研究工作中，通过内部缠绕有石英纤维的同轴套管构造限域空间，实现了基于强制流的低压化学气相沉积（Forced-flow CVD）生长条件。通过反应压强和体系中碳氢比的控制，显著增加了碳物种碰撞、反应的机率，在石英纤维表面实现了1-2层石墨烯的均匀包覆（图1），最终研制出可批量化生产的石墨烯石英纤维。

图 1 石墨烯玻璃纤维的强制流化学气相沉积法制备

在应用研究方面，利用柔性导电的石墨烯石英纤维制备了有机气体仿生传感器，装配有该传感器的机器小车表现出高的灵敏度、较快的响应时间（<0.5s）和高循环稳定性（>5000次循环）。此外，研究发现由石墨烯玻璃纤维编织成的织物具有较高的电热转换效率（>90%），可实现宽温区（55-980°C）、快速升温（<15s）的高温电加热效果（图2）。

图 2 柔性石英纤维织物用于高温电加热

该研究不仅为石墨烯新材料的开发提供了新思路同时将传统基础材料和石墨烯材料有机结合，有力推动了石墨烯石英纤维的工业化生产和商业应用。

北京大学崔光博士后、程熠博士生和刘灿博士后为本文的共同第一作者，刘忠范院士、刘开辉研究员和河南大学陈珂教授为本文的共同通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然基金、北京石墨烯专项计划等项目的支持。